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L’aérodynamique

 

I) Introduction :

Pour commencer à aborder ce thème assez complexe, prenons un exemple tout simple :

-Prenons une plaque d’épaisseur quelconque et supposons qu’elle flotte en l’air et qu’elle est immobile, si on lui applique un courant d’air dans le sens indiqué sur la figure ci-dessous, il va s’appliquer, sur cette plaque, une force que l’on appellera « Rx » et qui sera dans le sens du filet d’air et qui fera reculer la plaque :

 

 

 

 

 

 

 

 

Si maintenant, on applique ce même courant d’air sur une plaque incliné d’un angle θ par rapport au filet d’air, que va t’il se passer ?

Ce n’est pas une mais deux forces qui vont s’appliquer sur la plaque:

-une qui aura tendance à la faire reculer comme précédemment :Rx

-et une qui aura tendance à la faire monter (tout dépend la valeur de l’angle θ appelée incidence):Rz

Par convention, on notera la force Rx la traînée et la force Rz la portance. L’ensemble de ces deux forces, portance et traînée se combine pour former la résultante aérodynamique .

En réalité, cela ne se passe pas exactement comme ça car l'angle d'inclinaison ne peut avoir une grande ampleur sinon il se passe ce que l'on appelle le décrochage. Explications :

En réalité est une aile comportant un extrados (le dessus de l'aile) et un intrados (le dessous). La portance est du au phénomène suivant :

Pour être plus clair, prenons deux molécules d'air se présentant au bord d'attaque (figure ci-dessous). La molécule A passe par l'extrados et la molécule B passe par l'intrados. On s'aperçoit en regardant l'aile que la molécule A a plus de distance à parcourir sur l'extrados que la molécule B sur l'intrados. Pourtant, à la sortie on les retrouve toutes les deux en même temps. En effet, la molécule A s'est déplacée plus vite que la molécule B et crée ainsi une dépression au dessus de l'aile ce qui a pour effet de générer de la portance puisque la pression est plus importante sous l'aile qu'au dessus de l'aile. Nous avons traité ici le cas d'un aéroplane, pour une automobile, il s'agit exactement du contraire puisque la dépression est généré sous l'aileron. En y regardant de plus près, on peut comparer une voiture à un gigantesque aileron. En effet le but est de générer une dépression en dessous du véhicule (appelé effet de sol) afin d'augmenter l'appui et de coller le véhicule au sol. C'est pour cette raison que les Ferrari sont dépourvues d'ailerons car les ingénieurs ont énormément travaillé le sous bassement de la voiture afin d'améliorer au maximum l'effet de sol.

Aérodynamique appliquée à l’automobile :

Un véhicule se déplace dans une masse d’air non-stationnaire, et le vent peut avoir de l’influence même lors du déplacement rectiligne.

L’aérodynamique d’un véhicule terrestre est fondamentalement différente d’un véhicule volant, car sur un aéroplane le but recherché est la portance alors que sur une automobile, le but recherché est de plaquer le véhicule au sol.

L'aérodynamique joue une part très importante dans la conception d'une voiture, en effet celle-ci contribue fortement à la consommation de l'auto et à son comportement à grande vitesse

L'ensemble des forces appliquées sur le véhicule se décomposent suivant le torseur aérodynamique :

  • Axe des X : de l'avant vers l'arrière : Il s'agit de la force de traînée
  • Axe des Y : de la droite vers la gauche : Il s'agit de la force de dérive
  • Axe des Z : du bas vers le haut : Il s'agit de la force de portance

1) L'effort de traînée est la force qui dépend du fameux Cx (Coefficient de pénétration dans l'air) :

Ft = Cx.Þ.S.(V²/2)

  • Le Cx est déterminé par le constructeur en soufflerie.
  • Þ : Rho est la masse volumique de l'air qui est environ égale à 1.293 Kg/m³
  • S : C'est la surface frontale du véhicule (en m²). C'est 0.81 fois le produit de la largeur fois la hauteur du véhicule
  • V : C'est la vitesse en m/s

2) L'effort de dérive est l'effort qui nuit à la bonne tenue de cap du véhicule. Lorsque le véhicule est en déplacement linéaire, celui-ci est soumis à l'air latéral et à l'air déplacé par les autres véhicules (poids-lourds, ...), les deux forces combinées donnent l'effort de dérive.

3) L'effort de portance agit sur les liaisons au sol des véhicules. Il contribue aussi au gain de performances et de consommation. L'effort de portance est réalisé par le travail sur le sous-bassement du véhicule (il doit être le plus plat possible et si possible incorporer une sorte de "mini aileron" comme sur la Ferrari 360 Modena) mais également par l'ajout sur la carrosserie d'appendices aérodynamiques (ailerons)

LE COEFFICIENT DE PENETRATION DANS L'AIR

La voiture parfaite qui aurait le meilleur Cx serait une voiture qui a la forme d'une goutte d'eau et mesurerait environ 5 mètres. Elle devrait également, à l'arrière, aller en se resserrant, sur toute sa longueur (un peu comme la Porsche 996) . La production actuelle produit des véhicules à l'arrière tronqué. Cette arrière est responsable, à cause des turbulences, de près de 20 % de la résistance à l'avancement à 90 km/h C'est pourquoi, on note de temps en temps, sur les véhicules à l'arrière abrupte (du style des monospaces) des ailerons assez plat qui ne génèrent qu'assez peu de portance mais limitent quelque peu les turbulences.

Exemples de Cx pour divers véhicules :

  • Audi A8 : Cx=0.29, S=2.25
  • Porsche 911 : Cx=0.29, S=1.95
  • Mercedes classe C : Cx=0.30, S=2.05

Pour vous prouver à quel point tous les différents éléments de la carrosserie ou autres sont importants lisez ce tableau :

 

Influence de

Différence de Cx en %
Abaissement de l'assiette de 30 mm env. -5
Enjoliveurs lisses -1 à -3
Pneus larges +2 à +4
Vitres affleurantes extérieures env. -1
Étanchement des fentes -2 à -5
Revêtement sous caisse -1 à -7
Projecteurs escamotables +3 à +10
Rétroviseur extérieur +2 à +5
Ventilation du radiateur et du compartiment moteur +4 à +14
Refroidissement des freins +2 à +5
Ventilation de l'habitacle env. +1
Vitres ouvertes env. +5
Toit ouvrant ouvert env. +2
Transport d'un paquet sur le toit env. +40

 

Influence de la force de traînée sur la consommation par rapport aux autres facteurs :

Il faut savoir tout de même qu'à 5 mm près, un aileron peut faire augmenter de 30 % l'effort de traînée soit une augmentation de 0.08 à 0.09 du Cx et un accroissement de la consommation de près de 2 L au 100 km lorsque le véhicule roule à 140 km/h.

SURFACE FRONTALE (S)

Pour les citadines et les sportives la surface frontale varie de 1.7 à 1.85 m². Pour les compactes et les moyennes S varie de 1.8 à 1.9 et S des routières varie de 1.9 à 2.1.

Une formule 1 a une surface frontale de 1.6 m² et a un Cx d'environ 0.90. Ce Cx "désastreux" est nécessaire pour obtenir  des énormes appuis qui permettent des vitesses de passage en courbe très élevées et supporter des accélérations instantanées énormes (de l'ordre de 4 g).

 

La force centrifuge

La force centrifuge=  m.(v²/Rvir)

m= masse du véhicule en kg.

v= vitesse en m/s.

Rvir= rayon du virage en m.

 

Les données précédentes sont uniquement la base de l'aérodynamique, en effet ce domaine est tellement compliqué que les ingénieurs tâtonnaient en soufflerie pour trouver les bons réglages (maintenant les débuts de la simulation par ordinateur facilite le travail).

 

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